微控制單元（Microcontroller Unit；MCU） ，又稱(chēng)單片微型計算機（Single Chip Microcomputer ）或者單片機，是把中央處理器（Central Process Unit；CPU）的頻率與規格做適當縮減，并將內存（memory）、計數器（Timer）、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場(chǎng)合做不同組合控制。諸如手機、PC外圍、遙控器，至汽車(chē)電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達、機器手臂的控制等，都可見(jiàn)到MCU的身影。

      MCU同溫度傳感器之間通過(guò)I2C總線(xiàn)連接。I2C總線(xiàn)占用2條MCU輸入輸出口線(xiàn)，二者之間的通信完全依靠軟件完成。溫度傳感器的地址可以通過(guò)2根地址引腳設定，這使得一根I2C總線(xiàn)上可以同時(shí)連接8個(gè)這樣的傳感器。本方案中，傳感器的7位地址已經(jīng)設定為1001000。MCU需要訪(fǎng)問(wèn)傳感器時(shí)，先要發(fā)出一個(gè)8位的寄存器指針，然后再發(fā)出傳感器的地址（7位地址，低位是WR信號）。傳感器中有3個(gè)寄存器可供MCU使用，8位寄存器指針就是用來(lái)確定MCU究竟要使用哪個(gè)寄存器的。本方案中，主程序會(huì )不斷更新傳感器的配置寄存器，這會(huì )使傳感器工作于單步模式，每更新一次就會(huì )測量一次溫度。

   要讀取傳感器測量值寄存器的內容，MCU必須首先發(fā)送傳感器地址和寄存器指針。MCU發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)信號，接著(zhù)發(fā)出傳感器地址，然后將RD/WR管腳設為高電平，就可以讀取測量值寄存器。

   為了讀出傳感器測量值寄存器中的16位數據，MCU必須與傳感器進(jìn)行兩次8位數據通信。當傳感器上電工作時(shí)，默認的測量精度為9位，分辨力為0.5 C/LSB（量程為-128.5 C至128.5 C）。本方案采用默認測量精度，根據需要，可以重新設置傳感器，將測量精度提高到12位。如果只要求作一般的溫度指示，比如自動(dòng)調溫器，那么分辨力達到1 C就可以滿(mǎn)足要求了。這種情況下，傳感器的低8位數據可以忽略，只用高8位數據就可以達到分辨力1 C的設計要求。由于讀取寄存器時(shí)是按先高8位后低8位的順序，所以低8位數據既可以讀，也可以不讀。只讀取高8位數據的好處有二，**是可以縮短MCU和傳感器的工作時(shí)間，降低功耗；**是不影響分辨力指標。

     MCU讀取傳感器的測量值后，接下來(lái)就要進(jìn)行換算并將結果顯示在LCD上。整個(gè)處理過(guò)程包括：判斷顯示結果的正負號，進(jìn)行二進(jìn)制碼到BCD碼的轉換，將數據傳到LCD的相關(guān)寄存器中。

   數據處理完畢并顯示結果之后，MCU會(huì )向傳感器發(fā)出一個(gè)單步指令。單步指令會(huì )讓傳感器啟動(dòng)一次溫度測試，然后自動(dòng)進(jìn)入等待模式，直到模數轉換完畢。MCU發(fā)出單步指令后，就進(jìn)入LPM3模式，這時(shí)MCU系統時(shí)鐘繼續工作，產(chǎn)生定時(shí)中斷喚醒CPU。定時(shí)的長(cháng)短可以通過(guò)編程調整，以便適應具體應用的需要。

   在20世紀*值得人們稱(chēng)道的成就中，就有集成電路和電子計算機的發(fā)展。20世紀70年代出現的微型計算機，在科學(xué)技術(shù)界引起了影響深遠的變革。在70年代中期，微型計算機家族中又分裂出一個(gè)小小的派系--單片機。隨著(zhù)4位單片機出現之后，又推出了8位的單片機。MCS48系列，特別是MCS51系列單片機的出現，確立了單片機作為微控制器（MCU）的地位，引起了微型計算機領(lǐng)域新的變革。在當今世界上，微處理器（MPU）和微控制器（MCU）形成了各具特色的兩個(gè)分支。它們互相區別，但又互相融合、互相促進(jìn)。與微處理器（MPU）以運算性能和速度為特征的飛速發(fā)展不同，微控制器（MCU）則是以其控制功能的不斷完善為發(fā)展標志的。

     CPU（Central Processing Unit，中央處理器）發(fā)展出來(lái)三個(gè)分枝，一個(gè)是DSP（Digital Signal Processing/Processor，數字信號處理），另外兩個(gè)是MCU（Micro Control Unit，微控制器單元）和MPU（Micro Processor Unit，微處理器單元）。

     MCU集成了片上外圍器件；MPU不帶外圍器件（例如存儲器陣列），是高度集成的通用結構的處理器，是去除了集成外設的MCU；DSP運算能力強，擅長(cháng)很多的重復數據運算，而MCU則適合不同信息源的多種數據的處理診斷和運算，側重于控制，速度并不如DSP。MCU區別于DSP的*大特點(diǎn)在于它的通用性，反應在指令集和尋址模式中。DSP與MCU的結合是DSC，它終將取代這兩種芯片。

1.對密集的乘法運算的支持

     GPP不是設計來(lái)做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現代的GPP，也要求多個(gè)指令周期來(lái)做一次乘法。而DSP處理器使用專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)實(shí)現單周期乘 法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來(lái)處理多個(gè)乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱(chēng)為結果bits的額外bits來(lái)避免溢出。同時(shí)，為了 充分體現專(zhuān)門(mén)的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。

2. 存儲器結構

  傳統上，GPP使用馮。諾依曼存儲器結構。這種結構中，只有一個(gè)存儲器空間通過(guò)一組總線(xiàn)（一個(gè)地址總線(xiàn)和一個(gè)數據總線(xiàn)）連接到處理器核。通常，做一次乘**發(fā)生4次存儲器訪(fǎng)問(wèn)，用掉至少四個(gè)指令周期。

  大多數DSP采用了哈佛結構，將存儲器空間劃分成兩個(gè)，分別存儲程序和數據。它們有兩組總線(xiàn)連接到處理器核，允許同時(shí)對它們進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。這種安排將處理器存儲器的帶寬加倍，更重要的是同時(shí)為處理器核提供數據與指令。在這種布局下，DSP得以實(shí)現單周期的MAC指令。

   典型的高性能GPP實(shí)際上已包含兩個(gè)片內高速緩存，一個(gè)是數據，一個(gè)是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運行時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)速度。從物理上說(shuō)，這種片內的雙存儲器和總線(xiàn)的結構幾乎與哈佛結構的一樣了。然而從邏輯上說(shuō)，兩者還是有重要的區別。

     GPP使用控制邏輯來(lái)決定哪些數據和指令字存儲在片內的高速緩存里，其程序員并不加以指定（也可能根本不知道）。與此相反，DSP使用多個(gè)片內存儲器和多組總線(xiàn)來(lái)保證每個(gè)指令周期內存儲器的多次訪(fǎng)問(wèn)。在使用DSP時(shí)，程序員要明確地控制哪些數據和指令要存儲在片內存儲器中。程序員在寫(xiě)程序時(shí)，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線(xiàn)。

  此外，DSP處理器幾乎都不具備數據高速緩存。這是因為DSP的典型數據是數據流。也就是說(shuō)，DSP處理器對每個(gè)數據樣本做計算后，就丟棄了，幾乎不再重復使用。

3.零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)

   如果了解到DSP算法的一個(gè)共同的特點(diǎn)，即大多數的處理時(shí)間是花在執行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數的DSP都有專(zhuān)門(mén)的硬件，用于 零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)。所謂零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)是指處理器在執行循環(huán)時(shí)，不用花時(shí)間去檢查循環(huán)計數器的值、條件轉移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計數器減1。

   與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來(lái)實(shí)現。某些高性能的GPP使用轉移預報硬件，幾乎達到與硬件支持的零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)同樣的效果。

4.定點(diǎn)計算

   大多數DSP使用定點(diǎn)計算，而不是使用浮點(diǎn)。雖然DSP的應用必須十分注意數字的精 確，用浮點(diǎn)來(lái)做應該容易的多，但是對DSP來(lái)說(shuō)，廉價(jià)也是非常重要的。定點(diǎn)機器比起相應的浮點(diǎn)機器來(lái)要便宜（而且更快）。為了不使用浮點(diǎn)機器而又保證數字的準確，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計算、舍入和移位。

5.專(zhuān)門(mén)的尋址方式

      DSP處理器往往都支持專(zhuān)門(mén)的尋址模式，它們對通常的信號處理操作和算法是很有用的。例如，模塊（循環(huán)）尋址（對實(shí)現數字濾波器延時(shí)線(xiàn)很有用）、位倒序尋址（對FFT很有用）。這些非常專(zhuān)門(mén)的尋址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟件來(lái)實(shí)現。

6.執行時(shí)間的預測

   大多數的DSP應用（如蜂窩電話(huà)和調制解調器）都是嚴格的實(shí)時(shí)應用，所有的處理必須在指定的時(shí)間內完成。這就要求程序員準確地確定每個(gè)樣本需要多少處理時(shí)間，或者，至少要知道，在*壞的情況下，需要多少時(shí)間。如果打算用低成本的GPP去完成實(shí)時(shí)信號處理的任務(wù)，執行時(shí)間的預測大概不會(huì )成為什么問(wèn)題，應為低成本GPP具有相對直接的結構，比較容易預測執行時(shí)間。然而，大多數實(shí)時(shí)DSP應用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。 這時(shí)候，DSP對高性能GPP的優(yōu)勢在于，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會(huì )放進(jìn)去也是由程序員（而不是處理器）來(lái)決定的，因此很容易判斷指令是從高速緩存還是從存儲器中讀取。DSP一般不使用動(dòng)態(tài)特性，如轉移預測和推理執行等。因此，由一段給定的代碼來(lái)預測所要求的執行時(shí)間是完全直截了當的。從而使程序員得以確定芯片的性能限制。

7.定點(diǎn)DSP指令集

   定點(diǎn)DSP指令集是按兩個(gè)目標來(lái)設計的：使處理器能夠在每個(gè)指令周期內完成多個(gè)操作，從而提高每個(gè)指令周期的計算效率。將存貯DSP程序的存儲器空間減到*?。ㄓ捎诖鎯ζ鲗φ麄€(gè)系統的成本影響甚大，該問(wèn)題在對成本敏感的DSP應用中尤為重要）。為了實(shí)現這些目標，DSP處理器的指令集通常都允許程序員在一個(gè)指令內說(shuō)明若干個(gè)并行的操作。例如，在一條指令包含了MAC操作，即同時(shí)的一個(gè)或兩個(gè)數據移動(dòng)。在典型的例子里，一條指令就包含了計算FIR濾波器的一節所需要的所有操作。這種高效率付出的代價(jià)是，其指令集既不直觀(guān)，也不容易使用（與GPP的指令集相比）。 GPP的程序通常并不在意處理器的指令集是否容易使用，因為他們一般使用象C或C++等上等語(yǔ)言。而對于DSP的程序員來(lái)說(shuō)，不幸的是主要的DSP應用程序都是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的（至少部分是匯編語(yǔ)言?xún)?yōu)化的）。這里有兩個(gè)理由：首先，大多數廣泛使用的上等語(yǔ)言，例如C，并不適合于描述典型的DSP算法。其次，DSP結構的復雜性，如多存儲器空間、多總線(xiàn)、不規則的指令集、高度專(zhuān)門(mén)化的硬件等，使得難于為其編寫(xiě)高效率的編譯器。 即便用編譯器將C源代碼編譯成為DSP的匯編代碼，優(yōu)化的任務(wù)仍然很重。典型的DSP應用都具有大量計算的要求，并有嚴格的開(kāi)銷(xiāo)限制，使得程序的優(yōu)化必不可少（至少是對程序的*關(guān)鍵部分）。因此，考慮選用DSP的一個(gè)關(guān)鍵因素是，是否存在足夠的能夠較好地適應DSP處理器指令集的程序員。

8.開(kāi)發(fā)工具的要求

   因為DSP應用要求高度優(yōu)化的代碼，大多數DSP廠(chǎng)商都提供一些開(kāi)發(fā)工具，以幫助程序員完成其優(yōu)化工作。例如，大多數廠(chǎng)商都提供處理器的仿真工具，以準確地仿真每個(gè)指令周期內處理器的活動(dòng)。無(wú)論對于確保實(shí)時(shí)操作還是代碼的優(yōu)化，這些都是很有用的工具。 GPP廠(chǎng)商通常并不提供這樣的工具，主要是因為GPP程序員通常并不需要詳細到這一層的信息。GPP缺乏精 確到指令周期的仿真工具，是DSP應用開(kāi)發(fā)人所面臨的的大問(wèn)題：由于幾乎不可能預測高性能GPP對于給定任務(wù)所需要的周期數，從而無(wú)法說(shuō)明如何去改善代碼的性能。